类脑组织宏/微结构3D打印与培养一体化系统

Brain science is one of the most important directions of scientific research in recent years. Large amount of natural brain tissue are needed to support the research on brain and new medicine development, however, animal brain might not represent the human brain to a certain accuracy. Therefore, the shortage of brain tissue as research subjects becomes the necking problem for brain science and medicine development. To develop methods and equipment for reconstructing brain-like tissue in vitro becomes the necessity for brain science development. This project comes with a new idea of reconstructing macro/micro-scaled, multi-level brain-like tissue in-vitro by using 3D cell printing technology. Main research includes: the bionic design of brain-like tissue based on the characterization of structure, morphology and functions of the natural brain tissue; to build the multi-cell types and multi-scaled printing platform with integrated bio-culturing system and to investigate the effect of printing techniques on tissue functionalization; studying the effect of bionic environmental parameters on the functionalization of printed tissue as well as the effect of micro-circulation on nutrients delivery within the tissue. The aim of this project is to accomplish the bionic design, bio-fabrication and function evaluation of the customized brain-like tissue in small size so as to provide a reliable basic experimental model for the research of brain pathology and related pharmacology.

脑科学是当今科学研究重要发展方向之一。在脑的研究和新药研发过程中需要大量的脑组织进行实验，而动物脑组织不能很好表征人的脑功能。作为研究和实验对象的脑组织供体缺乏成为制约脑科学和相关药物研究的瓶颈。为此，建立体外类脑组织构建方法与装备是用以支持前沿重点脑科学研究发展的必要途径。本项目提出宏/微尺度3D打印多层细胞体系进行体外构建类脑组织的思路。通过研究自然脑结构、形态和功能的关联性，从仿生角度进行类脑组织宏/微结构设计；构建多尺度打印与培养平台，研究细胞打印工艺中环境对脑神经细胞功能趋化的影响；构建复合生物培养机制的类脑组织体外打印平台，研究映射颅内生理环境对类脑组织功能趋化的影响，及微流道设计对体外构建组织中小动脉丛网络的形成及营养传递的影响，进而优化仿生设计。最终实现体外个性化的局部类脑组织的仿生设计、制造及功能评价，为脑科学病理及药理研究提供可靠的基础实验模型。

本课题针对脑科学研究中精准模型匮乏的领域共性难题所提出的体外类脑模型的需求，在类脑组织的宏/微结构仿生设计、多细胞3D打印平台搭建及打印工艺优化和类脑组织生理环境体外构建与功能评价等方面开展了研究。通过研究自然脑组织结构形态和功能的关联，设计了宏/微结构一体化的仿生类脑组织模型。设计并搭建了细胞3D打印/培养一体化系统2套，通过对打印过程中对环境温度、湿度与氧浓度等的准确控制，实现神经细胞的高精度、多细胞体系、梯度结构、高活性打印制备。开发升级版打印平台，实现多材料体系、多种成形工艺复合的复杂结构活性组织的多尺度、一体化打印，为仿脑皮质结构的制备工艺研究提供了坚实的设备基础。研究并优化了分层梯度结构和微管路结构的打印工艺与性能，实现了类脑皮质分层梯度结构和组织内部微血管结构的仿生制造。搭建特征环境参数氧、磁场等控制反应平台，系统研究了环境参数对体外构建的类脑组织中细胞形态及功能的影响。构建了以神经元为主的多种细胞复合的体外类脑组织模型，在三维组织层面深入探究了体外环境下胶质细胞与神经元的关联机制，验证了所构建的体外类脑组织具备接近自然脑组织的生物特性。因此，本课题从设备、工艺、功能评价等多个方面为类脑组织体外构建的领域需求提供了可靠的设备和研究基础。